海洋波浪能發電技術

海洋是巨大的能源寶庫。理論上，海洋完全可以滿足地球上所有的能源需求，并且不會對大氣造成任何污染，因此海洋能也被譽為“藍色能源”。藍色能源與傳統綠色能源相比，擁有地理分布上的優勢，海洋覆蓋了地球70%的表面，全球約44%的人口都居住在距海岸線150km的范圍內，人類向大海索取資源已成為必然的趨勢。海洋可再生能源包括離岸風能和其它海洋能源，比如波浪能、潮汐能、海洋熱能轉換等。海洋能源的利用有助于國家發展低碳經濟，減少對礦物燃料的依賴，提高能源安全，實現與其他可再生能源比如風能和太陽能的平衡，確保穩定的可再生能源供應。

海洋波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，分成風浪、涌浪和近岸浪三種，具有能量密度高，分布面廣等優點，據估計地球上海浪中蘊藏著的能量相當于90萬億kw·h時的電能。現今波浪能的利用形式是將大面積的波浪能加以吸收，并集中轉換成機械能，再帶動電磁發電機運轉發電。作為目前世界上發展勢頭最快的海洋能源利用形式，美國、日本、英國、西班牙、瑞典、丹麥等海洋大國均十分重視波浪能研究，相繼在海上建立了波浪發電裝置，然而普遍存在發電功率小、發電不穩定、轉換效率不高等缺陷，特別是在小浪時，捕獲波浪能效率不高。

利用海洋能發電這一重要研究領域一直進展緩慢，海洋波力發電開發之艱辛，困難重重，究其原因主要是已研制的波能量收集器是基于法拉第電磁感應定律的傳統電磁發電機，其輸出電壓、電流都與機械能頻率成正比，進而輸出功率與機械能頻率的平方成正比，故需穩定且較高的工作頻率（>10Hz）才能獲得高效的輸出，但無論是海洋中的波浪、潮汐和洋流等，其運動頻率均較低（0.1 2Hz），且海浪變幻無常，運動無規律，而這些磁鐵和線圈只能采集水流的能量，方向性比較單一，而且這些裝置必須安裝在海邊上，不但影響景觀而且收集效率非常低，并且無法收集深水區的能量，極大地制約了它的實際應用價值。同時，這種龐大而沉重的設備，制造成本高昂，使海洋能成為地球上最昂貴的一種能源形式。

針對上述問題，中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家、佐治亞理工學院董事教授王中林院士團隊專業研究一種基于摩擦納米發電技術的穩定實用的波浪能發電網絡裝置，可以在一個較寬的頻率范圍內，輸出電流與機械能頻率成正比，而輸出電壓保持相對穩定，對于頻率低于5Hz海浪波動，摩擦納米發電機的輸出效率遠高于電磁發電機，非常適用于收集藍色能源，在緩慢流動和隨機方向的波流條件下能夠穩定輸出功率。這是一種基于摩擦納米發電機和電磁發電機的復合系統，利用磁鐵之間的吸引力作為非接觸牽引力，將摩擦納米發電機封裝防水，同時磁鐵之間嵌入銅線圈，構成簡易的電磁發電機，該復合系統可以收集海洋的波浪和洋流等運動能量，并可通過電路控制使其輸出使其阻抗匹配，如圖（a）所示。后續，該團隊基于相同原理，設計了一種同心筒狀器件結構，不僅可以在水下工作，且可同時收集海洋波浪振動和洋流流動的能量，如圖（b）所示。值得注意的是，因為摩擦納米發電機在低頻條件下可以穩定工作，故該器件可以在任意時刻收集藍色能源，當海洋運動頻率加快時，電磁發電機除了提供非接觸牽引力外，自身也可以輸出電能，從而使該器件可以在一個非常寬的頻率范圍內持續工作，收集任何一種頻率的藍色能源。

藍色能源和摩擦納米發電機是王中林院士團隊的原創之發現和發明，十五年來一直致力于微納系統研究，并對國內外已有波浪能發電裝置的發展和特點進行分析研究，總結摩擦納米發電用于波浪能收集的技術和產業優勢，指出波浪能摩擦發電的關鍵問題和未來發展趨勢。王中林院士從新興的利用人體運動攝取能量的技術中汲取靈感，使之應用于海洋水波發電。他領導的納米能源所正在開發這樣的設備，從心跳驅動的醫用傳感器到腳踏式摩擦地毯發電照明，從衛生保健到安全監測，從穿戴式和柔然紡織電子系統到環境的治理，摩擦納米發電的各項創新應用正在越來越多地嵌入我們日常的生產生活之中。摩擦納米發電機轉化效率高，可將50%的能量從動能轉化成電能，它是利用兩種不同材料接觸所產生的表面靜電荷導致的隨時間變化的電場來驅動電子的流動。制作這種大型網絡的納米發電機由眾多摩擦發電球構成（見文章底部圖），采用傳統材料，價格低廉，如聚四氟乙烯、橡膠、聚全氟乙丙烯等，適用于大規模生產和商業化。這種采集波浪能的納米發電球在海水中浮動，其中一種電介質材料制成的球在另一個球體內滾動產生摩擦電荷。它可以高效靈敏地回收海洋中的動能資源，包括水的上下浮動、海浪、海流、海水的拍打。當海波帶動其中的小球每秒晃動2～3次，即可產生大約1～10mw的功率。這種發電網可以分布在遠離海岸和航道的深水區，不會影響近海的人類活動。理論測算，對于像山東省面積大小的這樣一片海域，如果在10m深的水中布滿這種發電的網格，其發出的電量可滿足全世界的能源需求。

當前，藍色能量還處于實驗室早期研發階段，要想實現長時間可靠運行，還有許多關鍵技術問題有待解決，在水動力性能理論研究、模型試驗、納米發電結構設計等方面要進行大量的工作，并積累實踐經驗。如研究提高納米發電材料的耐久性與抗腐蝕性：研究布線結構和傳輸抵御風暴及惡劣環境。同時要考慮規劃藍色能源發電網位置和大小，盡量減少對航運、海洋生物與生態影響。海洋藍色能源發電是一項系統工程，設立一個致力于藍色能源的研究機構將大大加快發展這種清潔、可持續的能源技術的進程，同時，需要政府專項資金、政策支持和私人投資者、主要能源公司予以前期資金投入，在未實現大規模商業化開發之前，先行開發建設一批小型分布式波浪能發電或海島微電網。

該技術難題一旦攻破，將引發一場海浪發電技術革命，加快我國海洋新能源開發速度，對保障能源安全、環境保護和可持續發展有重大里程碑性貢獻。依托海洋技術，實施“藍色能源”戰略，改善能源結構，“藍色能源”有著巨大的優越性，終將超越“綠色能源”，成為比太陽能板和風力渦輪機更便宜、更可靠、更穩定、不依賴于天氣與晝夜變化的可持續能源，同時可與其它可再生能源發電混合補充，保證入網能源的總量供給。